空心光纖

將光纖作成空心，形成圓筒狀空間，用於光傳輸的光纖，稱作空心光纖（Hollow Fiber）。

基本介紹

• 中文名：空心光纖
• 外文名：Hollow Fiber
• 類別：光纖
• 功能：能量傳送

用途

空心光纖主要用於能量傳送，可供X射線、紫外線和遠紅外線光能傳輸。空心光纖結構有兩種：一是將玻璃作成圓筒狀，其纖芯與包層原理與階躍型相同。利用光在空氣與玻璃之間的全反射傳播。由於，光的大部分可在無損耗的空氣中傳播，具有一定距離的傳播功能。二是使圓筒內面的反射率接近1，以減少反射損耗。為了提高反射率，有在簡內設定電介質，使工作波長段損耗減少的。例如可以作到波長10.6pm損耗達幾dB/m的。

空心光子晶體光纖能夠通過空氣而不是玻璃導光，因此在很多套用領域它比傳統的光纖更有優勢並將最終取代傳統的光纖。

套用

光學物理學家探索的光子晶體材料套用中，光纖無疑是最具有前景的一項套用。光子晶體光纖(PCF)是一種新型光波導，具有與普通光纖截然不同的特性。這種新型光纖可以分為兩個基本類型 —— 折射率波導和帶隙波導。由於橫向折射率分布有很大的自由度，所以折射率波導型光子晶體光纖可以設計成具有高度反常色散、非線性以及雙折射等特性的光纖。但是，在這些類型光纖中，大部分光線仍然在玻璃中傳播。帶隙波導型與空心光纖公認是光子晶體光纖技術中最具革命性創新，在這類光子晶體光纖中，通過在光纖包層中產生光子帶隙可以將光限制在中央的空心核中傳播。

採用空心，而不是傳統摻雜高純度矽纖芯，其優點是光纖性能不受纖芯的材料特性限制。傳統光纖的損傷閾值、衰減、非線性效應和群速度色散等參數都要受到矽材料相應參數的影響。通過合理設計，空心光纖可以實現超過99%的光在空氣中而不是在玻璃中傳播，從而大大降低了光纖材料特性對光學性質和光纖性能的影響。因此在很多重要領域，空心光子晶體光纖(HC-PCF)比傳統光纖更有優勢。

區別

與傳統光纖不同，光子晶體光纖不是通過全內反射導光。相反，光子晶體光纖導引光的原理與多層鏡的反射原理非常類似。多層鏡是通過眾多介質面的同相反射達到全反射的效果。在空心光子晶體光纖中，二維微小空氣孔陣列貫穿整根光纖，它們的作用就相當於多層鏡的各個介質層。要將光限制在纖芯中，纖芯周圍的小孔必須排成非常均勻的有規則的格子，同時，它們必須接近以至快要接觸為止。這樣，包層的橫截面就類似一個由矽細絲網組成蜂巢，有時候細絲小到100 nm粗。這種格線相當於理想的反射鏡，把光限制在纖芯中，但是格線的反射作用會受傳播常數限制。因此，空心光子晶體光纖的光譜回響範圍與傳統光纖差異較大，它只能在一定頻率範圍內導光，典型值是在中心頻率20%左右的範圍。儘管這樣，空心光子晶體光纖中的模式分布還是與傳統單模光纖非常類似.

製造

空心光子晶體光纖可以用標準的光纖拉制設備來製造。首先，將幾百個薄壁毛細管堆積在一起製成半成品。然後經過套包層、拉絲、鍍聚合物，得到尺寸和機械特性與標準單模光纖非常相似的光纖。空心光子晶體光纖的製造工藝發展非常迅速，甚至可以製造長度不限、光學性質一致的光纖—— 至少由熔融石英玻璃製成的空心光子晶體光纖可以達到這樣的效果。

因為實際上只有極少數光在玻璃中傳輸，所以空心光子晶體光纖的能量傳輸的能力要遠遠優越於傳統的光纖。

雖然空心光子晶體光纖的傳輸頻寬很大程度上由包層的光子帶隙決定，但是芯的尺寸和形狀以及空心周圍固體材料分布的微小變化都會明顯地改變光纖的光學性質。因此，當前很多研究工作圍繞改善光纖設計以及相關製造工藝，就一點也不會讓人覺得驚訝了。

損耗

以通信波段的空心光子晶體光纖為例，它的低損耗範圍大約為 150 nm，中心波長為 1570 nm (如圖2)。在這個範圍之外，損耗會迅速增加。最小損耗是1.7dB/km，它被證明是目前空心波導可以達到的最小值(如圖3)。在這種光纖的低損耗窗中存在著一些高損耗區域。這是由表面膜(所謂的表面膜是指在芯的玻璃-空氣界面上或者附近的共振)造成的結果，在某些波長，表面膜正常衰減慢慢退化掉。在發生退化現象的波長位置，與表面相互作用的光會急劇增加，這不僅會導致光纖損耗的增大還會改變波導的色散特性。在實際的套用中，這些特徵是不利的。然而，經過精心設計芯和包層，有希望排除這些不利因素。

光傳輸

儘管在長距離通信領域空心光子晶體光纖還無法挑戰傳統光纖，但是在其他幾個方面的重要套用中，空心光子晶體光纖要優於傳統的光纖，其中最值得注目的可能就是雷射束傳輸。與傳統光纖相比，空心光子晶體光纖的一個重要優點就是具有較高的損傷閾值。因為實際上只有極少數光在玻璃中傳輸，所以空心光子晶體光纖的能量傳輸能力要遠遠優越於傳統的光纖。

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圖2套用於通信波段的低損耗空心光子晶體光纖的橫截面的電子顯微圖。這種光纖在1550 nm波長處具有最小損耗1.7dB/km。

它們之間的另一個差異就是空心光子晶體光纖具有較低的光學非線性特性，這也是光與玻璃之間很少發生交疊的結果。關鍵是，纖芯中氣體的非線性折射率要比固體矽的小大約1000倍，該氣體使得空心光子晶體光纖的非線性特性比傳統光纖的要小三個數量級。因此，不管是連續波還是短脈衝序列，都可以以非常高的功率在空心光子晶體光纖中傳輸，而且不會產生光譜的失真。實際上，空心光子晶體光纖可以設計成由芯內氣體或者玻璃的非線性來決定整個光纖的非線性特性。另外，除了空氣，還可以充入其它氣體，從而能夠從整體上完全控制光纖的非線性特性。

圖3 增大空心光子晶體光纖，(圖2所示)的芯可以降低損耗，但同時也帶來更多的表面膜交叉，從而引起損耗光譜上出現許多尖峰。小的芯具有較寬頻寬、平滑的光譜，但是損耗會增大。

值得注意的是，當脈衝寬度小於 1ps 時，新的制約因素開始顯得重要了。脈衝的本徵頻寬開始和空心光子晶體光纖的低損耗視窗的寬度相比擬。另外，空心光子晶體光纖中的群速度色散意味著小於 1ps 的脈衝在光纖中只傳播幾米的距離就會發生明顯的色散。然而，重要的是，空心光子晶體光纖的低非線性特性使得這樣的色散不會伴隨著明顯的頻譜失真，即使是脈衝寬度為100fs 、峰值功率達到典型鎖模雷射振盪器水平的脈衝也如此。

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對於傳統光纖，在非線性效應與色散的共同作用下，那么短的脈衝只傳播幾毫米就會很快被分裂開。空心光子晶體光纖的低非線性特性就意味著，只要能夠適當的補償光纖中的線性色散，比如在耦合進入光纖前用一塊玻璃對脈衝進行預啁啾，那么脈衝在空心光子晶體光纖中就完全能夠傳播到好幾米遠。另一個可能性就是利用空心光子晶體光纖的低非線性特性來平衡線性色散，那樣脈衝將可以在空心光子晶體光纖以孤子的形式傳播。以前，在比較低的功率水平、在1500nm波段，利用傳統光纖觀測過光纖孤子。但是，空心光子晶體光纖可以在很寬的波長範圍內傳播峰值功率高達幾個兆瓦的高強度脈衝。

展望

將來的研究主要是圍繞進一步擴展和最佳化光纖設計、材料特性以及製造工藝等方面展開。減少損耗當然是一個主要的目標。雖然1.7dB/km是個重要的里程碑，但是在那些必須考慮損耗的套用下，用矽材料製成的空心光子晶體光纖代替，即使最好的傳統光纖也是完全可能的。

另一個令人振奮的可能性是低損耗的光纖可以用相對高損耗的材料製成，其前提是實際只有少數光可以“看見”玻璃。這個特性在遠紅外波段(具有高度發達的玻璃製造技術)非常有意義，例如，可能引起波長為10.6μm的高功率光纖的發展。不僅如此，空心光子晶體光纖在光譜的另一端也取得了很大進展，第一個位於可見和紫外波段的空心光子晶體光纖已經商業化。儘管從1999年初次報導以來，空心光子晶體光纖技術獲得了巨大進步，但是光子晶體光纖技術還是處於發展的初級階段，因此，空心光子晶體光纖將繼續向前發展。